DE3833896C2

DE3833896C2 -

Info

Publication number: DE3833896C2
Application number: DE19883833896
Authority: DE
Inventors: Karl 7622 Schiltach De Benz; Wolfram Dipl.-Ing. 7615 Zell De Dreher; Josef Dipl.-Ing. Fehrenbach (Fh), 7612 Haslach, De; Guenter 7620 Wolfach De Kech; Michael Dipl.-Ing. 7800 Freiburg De Bernhard
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 1988-10-05
Filing date: 1988-10-05
Publication date: 1992-03-12
Also published as: DE3833896A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Feststellung eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, mit einem zwei in gleicher Resonanzfrequenz und entgegengesetztem Drehsinn schwingende, im Abstand zueinander angeordnete Schwingungselemente aufweisenden Schwingungsgebilde, dessen Schwingungen bei Berührung des Füllguts mit dem das innere Schwingungselement umfassenden äußeren Schwingungselement beeinflußt werden, und mit Einrichtungen zur Auslösung von Anzeige und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit von der Amplitude der Schwingungen.

Vorrichtungen dieser Art sind bekannt. Beispielsweise ist in der DE-30 11 603 C2 der gleichen Anmelderin eine Füllstandsmeßvorrichtung beschrieben, die zwei koaxial angeordnete Schwingungselemente aufweist, die sich gegenseitig umgreifen. Das innere Schwingungselement ist stabförmig ausgebildet und weist an seinem oberen Ende eine Verjüngung auf, mit der das Schwingungselement über ein Einschraubstück an der Behälterwandung befestigt ist, wobei diese Verjüngung als Rückholfeder für das Element dient. Das äußere Schwingungselement ist rohrförmig und an seinem oberen Ende an einer Membran aufgehängt, die für dieses Schwingungselement als Rückholfeder dient. Der Schwingungsantrieb und die Schwingungsdetektion erfolgen über elektromechanische Wandler, die auf der Membran angebracht sind. Die beiden Schwingungselemente werden hierbei zu gegenläufigen Schwingungen in einer Schwingungsebene angeregt.

Füllstandsmeßvorrichtungen, die gemäß dieser Patentschrift ausgebildet sind, sind zwar gegenüber einem Anhaften des Füllmaterials am Schwingstab und damit einer Verfälschung der Messung nicht mehr so anfällig, wie Füllstandsmeßvorrichtungen, die nach dem Schwinggabelprinzip arbeiten. Trotzdem kann eine Verfälschung des Meßergebnisses durch Anhaften von Füllmaterial nicht ausgeschlossen werden.

Aus der DE 36 25 779 A1 ist eine Vorrichtung zum Feststellen eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter bekannt, welche zwei koaxial zueinander angeordnete Drehschwingungselemente aufweist, die jeweils an einer als Rückholfeder wirkenden Membran befestigt sind und bei gleicher Resonanzfrequenz in entgegengesetzten Drehsinn schwingen. Berührt ein Füllgut den äußeren Drehschwinger oder wird das gesamte Schwingungsgebilde in das Füllgut eingetaucht, so werden die Schwingungen gedämpft bzw. die Resonanzfrequenz geändert. Diese Änderungen werden erfaßt und entsprechend ausgewertet angezeigt. Auch bei dieser Vorrichtung besteht jedoch der Nachteil, daß Verfälschungen der Meßergebnisse durch anhaftendes Füllmaterial nicht ausgeschlossen werden können.

Aus der DE 28 44 143 C2 ist ein Flüssigkeitspegel-Meßgerät bekannt, welches ein in eine Flüssigkeit einzutauchendes Fühlerelement mit einem Meßwertgeber für Biegeschwingungen und einem Meßwertgeber für Torsionsschwingungen aufweist. Weiterhin sind für beide Schwingungsarten entsprechende Erreger sowie Steuerschaltungen vorhanden, mit denen die Schwingungsfrequenzen beider Schwingungsarten auf die Resonanzfrequenzen abstimmbar sind. Von den Steuerschaltungen werden jeweils den Resonanzfrequenzen entsprechende Ausgangssignale an eine Auswerteschaltung geführt. Während die Resonanzfrequenz der Biegeeschwingungen und das entsprechende Signal sowohl von der Eintauchtiefe des Fühlerelementes in die Flüssigkeit als auch von deren Dichte abhängt, wird die Resonanzfrequenz der Torsionsschwingungen nur von der Dichte der Flüssigkeit beeinflußt. Nach entsprechender Auswertung ist folglich eine absolute Pegelstandsanzeige möglich, bei der der Einfluß der Flüssigkeitsdichte beseitigt ist. Auch hierbei können jedoch Meßfehler durch an dem Fühlerelement anhaftendes Füllmaterial verursacht werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Feststellung eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter anzugeben, die gegenüber dem Stand der Technik eine höhere Zuverlässigkeit aufweist und bei der insbesondere ein Anhaften von Füllmaterial an der Vorrichtung sowie Temperaturänderungen nicht zur Meßfehlern führen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei gegenläufig schwingende Schwingungselemente verwendet werden, die jetzt aber nicht nur zu Schwingungen in einer Schwingungsebene angeregt werden, sondern bei denen eine Schwingungsanregung in zwei rechtwinklig zueinander stehenden Schwingungsebenen erfolgt, wobei die Schwingungsfrequenzen gleich oder ungleich sein können. Das äußere Schwingungselement ist kontra-rotationssymmetrisch gestaltet, wodurch sich beim Eintauchen der Schwingungselemente in das Füllgut die Volumina der mitbewegten Füllgutanteile je nach Richtung der Schwingungsebene voneinander unterscheiden.

Das führt gegenüber dem Unterschied zwischen den jeweils einer Schwingungsrichtung zugeordneten Frequenzen eines in Luft schwingenden Meßfühlers zwangsläufig zu unterschiedlichen Frequenzänderungen, wenn sich der Meßfühler in der zu detektierenden Flüssigkeit befindet. Im Falle von Anhaftungen oder Ablagerungen an einem nicht in Flüssigkeit eingetauchten Meßfühler wirkt sich hingegen die anhaftende Zusatzmasse auf die Frequenzen in beiden Schwingungsrichtungen anteilsgleich aus, so daß sich beide Frequenzen prozentual gleich verändern.

In der Auswerteschaltung der vorliegenden Füllstandsmeßvorrichtung werden damit insgesamt folgende Frequenzänderungen gemessen:

- die Differenz der Schwingung des äußeren Schwingungselements in einer ersten Schwingungsebene zwischen ausgetauchtem und in das Füllgut eingetauchtem Zustand,
- die Differenz der Schwingung des äußeren Schwingungselements in einer zweiten Schwingungsebene zwischen ausgetauchtem und in das Füllgut eingetauchtem Zustand,
- die Differenz der Schwingungen in der einen Schwingungsebene zu den Schwingungen in der anderen Schwingungsebene zwischen ausgetauchtem und in das Füllgut eingetauchtem Zustand.

Damit erhält man zusätzlich zum anhaftungsneutralen Verhalten eine höhere Zuverlässigkeit der Vorrichtung durch die Verwendung zweier unabhängiger Detektionskriterien, nämlich einmal die grundsätzliche Frequenzänderung beim Eintauchen des Schwingungselementes in das Füllgut und zum anderen durch die Frequenzänderung bezüglich der Schwingungsrichtung durch die kontra-rotationssymmetrische Gestaltung des äußeren Schwingungselements. Unter dem Gesichtspunkt der Zuverlässigkeit und der erhöhten Sicherheit ist diese Redundanz von Vorteil.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß eine Frequenzänderung, hervorgerufen durch Temperaturänderungen, nicht das Meßergebnis beeinflußt. Die durch die Temperatur bedingte relative Frequenzabweichung wird in beiden Schwingrichtungen gleich groß sein, so daß sie sich eliminieren läßt.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Es zeigen

Fig. I eine geschnittene Seitenansicht des Schwingungssystems und

Fig. II einen Schnitt entlang der Linie A-B in Fig. I.

Das Schwingungssystem besteht aus zwei Schwingungselementen 10 und 12, wovon das innere 12 koaxial und das äußere 10 teilweise koaxial gestaltet ist und wobei das äußere Schwingungselement 10 das innere Schwingungselement 12 im Abstand zueinander koaxial umfaßt. Dabei ist im Ausführungsbeispiel das äußere Schwingungselement 10 im Bereich des inneren Schwingungselements 12 rohrförmig ausgebildet und trägt an seinem unteren Ende paddelartige Verbreiterungen 14. Das innere Schwingungselement 12 muß massegleich zum äußeren Schwingungselement 10 sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird dies dadurch erreicht, daß das innere Schwingungselement in seinem oberen Teil 16 hohl und in seinem unteren Teil 18 voll ausgebildet ist.

Das äußere Schwingungselement 10 ist an seinem oberen freien Ende mit einer als Rückholfeder wirkenden Membran 20 verbunden, die ihrerseits starr über ein Einschraubteil 22 mit der Behälterwand verbunden ist. Das innere Schwingungselement 12 weist in seinem oberen Teil eine Verjüngung 24 auf, die für dieses Schwingungselement ebenfalls die Funktion einer Rückholfeder hat.

Die Verjüngung 24 ist in der Höhe der Membran 20 angeordnet. Oberhalb der Verjüngung 24 ist der oberste Abschnitt 26 starr mit dem Einschraubteil 22 verbunden.

Die beiden Schwingungselemente 10 und 12 sind derart ausgebildet, daß sie einen gemeinsamen Drehpunkt aufweisen, der im Zentrum der Membran 20 und damit auch auf den zusammenfallenden Hauptachsen der Schwingungselemente 10 und 12 liegt. Außerdem weisen die Schwingungselemente 10 und 12 gleich große Massen und einen gemeinsamen Masseschwerpunkt auf. Die Membran 20 und die Verjüngung 24 sind in ihrer Federkraft so aufeinander abgestimmt, daß sich die durch die Schwingungselemente hervorgerufenen Drehmomente gegenseitig aufheben. Dadurch ist gewährleistet, daß vom Schwingungssystem nach außen keine Schwingungsenergie abfließt.

Auf der Membran 20 sind vier elektromechanische Wandler in Winkeln von 90° zueinander angeordnet. Es werden bevorzugt Piezoscheiben verwendet. Zwei der Wandler 28, 30 dienen zum Schwingungsantrieb und die beiden anderen Wandler 32, 34 dienen zur Schwingungsdetektion. Der Wandler 28 verursacht eine Schwingung in Richtung der Wandler 28, 32 und der Wandler 30 verursacht eine dazu senkrechte Schwingrichtung in Richtung der Wandler 30, 34.

Das Einschraubteil 22 weist eine Öffnung 36 auf, durch die die elektrischen Zuleitungen 38 zu den elektromechanischen Wandlern 28, 30, 32, 34 geführt sind.

Die paddelartigen Verbreiterungen 14 des äußeren Schwingungselements 10 sind so angeordnet, daß sie mit einer der senkrecht zueinander stehenden Schwingungsrichtungen fluchten. Taucht das äußere Schwingungselement 10 nun in das zu messende Füllgut ein, so wird bedingt durch die paddelartige Verbreiterung 14 an dem Wandlerelement 32 (Schwingrichtung quer zum Paddel) eine größere Frequenzänderung festgestellt als beim Wandlerelement 34 (Schwingrichtung längs zum Paddel). Diese Frequenzdifferenz ist nur im eingetauchten Zustand vorhanden.

Ist das Schwingungselement wieder ausgetaucht, so ist die Frequenz an beiden Detektionswandlern 32, 34 wieder gleich groß bzw. weist sie den anfänglichen Frequenzunterschied wieder auf. Dies gilt auch dann, wenn noch Reste des Füllguts am Schwingungselement anhaften. Das Vorhandensein von verschieden großen Frequenzdifferenzen dient als Signal zur Erfassung eines Füllstandes.

Bezugszeichenliste

10 äußeres Schwingungselement
12 inneres Schwingungselement
14 paddelartige Verbreiterung
16 oberer Teil des inneren Schwingungselements
18 unterer Teil des inneren Schwingungselements
20 Membran
22 Einschraubteil
24 Verjüngung des inneren Schwingungselements
26 oberster Abschnitt des inneren Schwingungselements
28, 30, 32, 34 elektromechanische Wandler (Piezoscheiben)
36 Öffnung im Einschraubteil
38 elektrische Zuteilung zu den Wandlern

Claims

1. Vorrichtung zur Feststellung eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter

a) mit einem zwei in gleicher Resonanzfrequenz und entgegengesetztem Drehsinn schwingende und im Abstand zueinander angeordnete Schwingungselemente aufweisenden Schwingungsgebilde,
b) dessen Schwingungen bei Berührung des Füllguts mit dem das innere Schwingungselement umfassenden äußeren Schwingungselement gedämpft werden,
c) mit Einrichtungen zur Auslösung von Anzeige- und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit von der Amplitude der Schwingungen,
d) wobei die Schwingungselemente einen gemeinsamen Drehpunkt aufweisen und koaxial angeordnet sind,
e) der Drehpunkt im Zentrum einer als Rückholfeder für das äußere Schwingungselement dienenden Membran liegt, und
f) das innere Schwingungselement stabförmig ausgebildet ist und im Bereich des Drehpunkts eine als Rückholfeder wirkende Verjüngung aufweist,

dadurch gekennzeichnet,
daß über die Membran (20), an der das äußere Schwingungselement (10) aufgehängt ist, dieses äußere Schwingungselement (10) zu zwei unabhängigen Schwingungen angeregt wird, deren senkrechte Schwingungsebenen um 90° zueinander winkelversetzt sind, wobei das äußere Schwingungselement (10) eine kontra-rotationssysmmetrische Gestalt aufweist und so ausgerichtet ist, daß sich beim Eintauchen des äußeren Schwingungselements (10) in das Füllgut die Volumina der mitbewegten Füllgutanteile für die beiden Richtungen der Schwingungsebene voneinander unterscheiden,
daß zur Schwingungsdetektion zwei um 90° zueinander winkelversetzte elektromechanische Wandler (32, 34) auf der Membran (20) angeordnet sind, deren Signale über elektrische Leitungen (38) zu einer Auswerteeinheit geführt werden, mit der die Frequenzdifferenzen in beiden Schwingungsanregerichtungen beim Eintauchen in das zu detektierende Füllgut registriert und miteinander verglichen werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schwingungsanregung zwei weitere um 90° zueinander winkelversetzte elektromechanische Wandler (28, 30) auf der Membran (20) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kontra-rotationssymmetrische Gestalt des äußeren Schwingungselements (10) in Form einer paddelartigen Verbreiterung (14) ausgebildet ist, deren Längsachse in Richtung einer der beiden um 90° senkrecht zueinander stehenden Schwingungsanregerichtungen ausgerichtet ist.